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Nach dem Kompensationsprinzip arbeitendes anzeigendes und/oder registrierendes
Meßgerät Die Erfindung betrifft ein nach dem Kompensationsprinzip arbeitendes anzeigendes
und/oder registrierendes Meßgerät, insbesondere einen sogenannten Linienschreiber.
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Ein derartiges Meßgerät ist z. B. aus der schweizerischen Patentschrift
275 601 bekannt. Es ist so aufgebaut, daß die zu messende Gleichspannung einen in
einem Wechselfeld fest angeordneten Hallgenerator steuert, dessen Ausgangsgröße
verstärkt wird und die Verstellung eines Servomotors bewirkt.
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Damit erfolgt gleichzeitig die Verstellung des Anzeige- bzw. Schreiborgans
und die Verstellung eines Widerstandsschleifers, durch dessen Abgriff die Spannung
der gemessenen Größe kompensiert wird.
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Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Meßeinrichtung besteht
in der Anwendung des Servomotors als Verstellglied, der einen hohen Leistungsbedarf
hat, wodurch der den Servomotor speisende Verstärker entsprechend groß dimensioniert
sein muß. Außerdem wirkt sich die große Masse der beweglichen Teile in bezug auf
die Einstellgeschwindigkeit nachteilig aus, wobei auch der Verschleiß der beweglichen
Teile, insbesondere die Abnutzung des Potentiometers, die Anzeigegenauigkeit und
Lebensdauer beeinträchtigt.
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Es ist auch ein elektrisches Meßgerät bekannt (deutsches Patent 1
025 157), das zur elektrischen Nachbildung der Winkelstellung einer Galvanometerachse
einen mit dieser Achse verbundenen, im Feld eines Permanentmagneten angeordneten
Hallgenerator verwendet, wobei die von der Stellung des Hallgenerators im Magnetfeld
abhängigen Eigenschaften für die elektrische Nachbildung benutzt werden. Bei einem
bekannten Kompensationsverstärker ist mit der Drehachse eines annähernd richtkraftlosen
Meßwerks ein Vergleichsspannungsgeber in Form einer Spule verbunden, die sich bei
Veränderung der Meßgröße in einem konstanten Wechselfeld bewegt. Diese Spule liefert
eine von der Stellung der Meßwerk-Drehspule abhängige Vergleichsspannung, die nach
Verstärkung dem Anzeige-bzw. Registriergerät zugeführt wird, während ein Teil dieser
Vergleichsspannung zur Kompensation der Meßgröße dient. Derartige Meßgeräte sind
äußerst empfindlich, weshalb sie nicht dort angewendet werden können, wo große Verstellkräfte,
beispielsweise für den Antrieb eines schreibenden bzw. anzeigenden Organs, erforderlich
sind.
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Außer dem Kompensationsmeßwerk wird also noch ein weiteres Meßwerk
benötigt, das die erforderlichen Verstellkräfte aufbringen kann. Der weitere Nachteil
eines derartig aufgebauten Kom-
pensationsverstärkers besteht noch darin, daß die
Schaltung auch im Kompensationszustand eine Leistung verbraucht.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein nach dem Kompensationsprinzip
arbeitendes anzeigendes und/oder registrierendes Meßgerät zu schaffen, bei dem das
eigentliche Kompensationsmeßwerk gleichzeitig zum Antrieb des Anzeige- oder Registrierorgans
verwendet werden kann, indem es mit entsprechend großen Verstellkräften (Drehmoment)
ausgestattet wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem Meßgerät der eingangs beschriebenen
Gattung unter Vermeidung der den bekannten Anordnungen innewohnenden Nachteile dadurch
gelöst, daß das annähernd richtkraftlose Meßwerk direkt zum Antrieb des Anzeige-
und/ oder Schreiborgans dient, indem die Vergleichsspannung der zu messenden Spannung
entgegengeschaltet und die Differenzspannung richtungsabhängig verstärkt zum Meßwerk
geführt ist.
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Als Vergleichsspannungsgeber ist z. B. ein Hallgenerator, vorzugsweise
aus Indiumarsenid, geeignet, der in einem permanenten Magnetfeld in Abhängigkeit
von der Bewegung der Drehspulachse des Meßwerkes drehbar angeordnet ist.
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Der besondere Vorteil eines solchen Meßgeräteaufbaues liegt darin,
daß ein üblicher Drehspulschreiber einschließlich seiner Geradführung lediglich
durch das Weglassen der Rückstellfedern, durch die Anwendung der erfindungsgemäßen
Vergleichsspannung und eines nachgeschalteten Verstärkers zu einem Kompensationsschreiber
ausgebildet wird, der ein hinreichend großes Drehmoment, eine kurze Einstellzeit,
einen hohen Wirkungsgrad und nur wenige,
kaum dem Verschleiß unterliegende
bewegliche Teile aufweist. Eine geschwindigkeitsabhängige Rückführspannung, mit
deren Größe die Einstellzeit des Gerätes über einen relativ großen Bereich geändert
werden kann, ist durch eine zweite Meßwerkwicklung hier sehr einfach zu gewinnen.
Der durch die Erfindung erreichte geringe Leistungsbedarf ermöglicht auch die Anwendung
auf batteriegespeiste, insbesondere transportable Registriergeräte.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert und in der Zeichnung dargestellt.
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Fig. 1 stellt das Prinzip des mechanischen Aufbaus eines Drehspullinienschreibers
mit Geradführung dar; F i g. 2 zeigt das Schaltschema der Konstantstromquelle und
ihre elektrischen Verbindungen mit dem Hallgenerator.
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Gemäß F i g. 1 ist mit dem mit großem Wirkungsgrad arbeitendem Drehspulmeßwerk
1 der Hallgenerator 2 mittels des Gelenkvierecks 3 mechanisch verbunden. Außerdem
sind mit der Drehachse des Meßwerkes bzw. des in dem Feld des Permanentmagneten
4 drehbar gelagerten Hallgenerators 2 noch die Lenker 5 gekuppelt, mit deren Hilfe
die jeweils gemessene Größe an der gestrichelt angedeuteten Skala 6 angezeigt bzw.
auf einem Registrierstreifen aufgezeichnet wird. Die zu messende Größe wird in Form
einer Gleichspannung vom Thermoelement 7 geliefert und der Hallspannung des Hallgenerators
2, deren Größe von seiner Stellung im permanenten Magnetfeld 4 abhängt, entgegengeschaltet.
Der eingeprägte Steuerstrom für die Versorgung der Steuerseite des Hallgenerators
wird von der Konstantstromquelle 8 geliefert. Verändert sich die Thermospannung,
so tritt zwischen ihr und der Hallspannung eine Spannungsdifferenz auf, die dem
Gleichstromverstärker 9 zugeführt wird. Die elektrische Größe am Verstärkerausgang
wird dem Drehspulmeßwerk 1 zugeführt, das sich so weit verstellt, bis durch die
zwangläufig damit erfolgende Verdrehung des Hallgenerators Kompensation zwischen
der Thermospannung und der Hallspannung eingetreten ist.
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Der für die Versorgung der Steuerseite des Hallgenerators2 erforderliche
Gleichstrom wird gemäß F i g. 2 mit Hilfe der Zenerdiode 10 und dem Transistorll
stabilisiert. Dabei sind die Diode, der Transistor 11 und der Emitterwiderstand
12 von solcher Art gewählt und so dimensioniert, daß sie die Temperaturabhängigkeit
des Hallgenerators durch den ihnen eigenen Temperaturgang und durch ihre optimale
gegenseitige Zuordnung kompensieren.
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Parallel zur Steuerseite des Hallgenerators 2 ist die Widerstandskombination
3 mit der Hallseite des Hallgenerators nach Art einer elektrischen Brücke so zusammengeschaltet,
daß eine Hallelektrode mit einem Brückeneckpunkt fest verbunden ist und der gegenüberliegende
Brückeneckpunkt von einem Schleifer eines Potentiometers 13 gebildet wird.
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Durch Verstellung dieses Schleifers wird eine Zusatzspannung erzeugt,
so daß es möglich ist, den Wert Null der Vergleichs spannung an jeden beliebigen
Skalenpunkt zu legen, erforderlichenfalls auch außerhalb der Skala.
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Um zu erreichen, daß die Hallspannung möglichst streng proportional
dem Verdrehungswinkel ist, muß sich das auf den Hallgenerator wirkende Feld eben-
falls
proportional dem Verdrehungswinkel ändern.
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Dies wird nun dadurch erreicht, daß der Hallgenerator zu der Drehspulachse
eine solche Lage erhält, daß das wirksame Feld in Skalenmitte Null ist und nach
beiden Seiten positiv bzw. negativ zunimmt.
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Ohne die Anwendung besonderer Maßnahmen wäre der Hallgenerator an
sich nicht ohne weiteres zur Erzeugung einer proportionalen Vergleichsspannung geeignet,
weil der hallseitige und auch der steuerseitige Innenwiderstand des Hallgenerators
sowohl von der Größe des wirksamen Feldes als auch von der Umgebungstemperatur abhängt.
Ebenso ändert sich mit der Umgebungstemperatur auch der Hallspannungskoeffizient.
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Die Anderung des Innenwiderstandes der Hallseite wird durch die Anwendung
des Kompensationsverfahrens unwirksam gemacht. Die Widerstandsänderung der Steuerseite
hingegen wird eliminiert, indem der Hallgenerator mit eingeprägtem Strom gespeist
wird. Dabei ist der Stromverbrauch der Widerstandskombination 3 gegenüber dem Steuerstrom
des Hallgenerators vernachlässigbar klein. Bei der beispielsweisen Verwendung von
Hallgeneratoren aus Indiumarsenid nimmt bekanntlich die Hallspannung mit zunehmender
Temperatur ab, so daß mittels einer Kollektorstromerhöhung des Transistors 11 die
gewünschte Kompensation erreicht werden kann.
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Denn der Kollektorstrom des Transistors 11 nimmt bereits durch die
ebenfalls temperaturabhängige Änderung der Zenerspannung der Diode 10, des Kollektorbasis-Reststromes
und der Emitterbasisspannung zu. Infolgedessen kann man durch geeignete Wahl dieser
Bauelemente, d. h. ohne zusätzliche Kompensationsmittel, die Hallspannung temperaturunabhängig
machen. Wird beispielsweise diese Temperaturunabhängigkeit durch eine bestimmte
Zuordnung von Transistor und Diode noch nicht hinreichend erreicht, so kann zusätzlich
der Emitterwiderstand 12 noch temperaturabhängig gemacht werden.